钛合金室温和高温三维复合型断裂实验研究

钛合金结构在复杂载荷和工况下的损伤容限对现代飞行器安全十分重要,但至今没有结构三维几何尺寸因素对材料高温断裂性能的影响结果报道.利用新发展的光测断裂试验技术,对航空结构材料TC11高温钛合金制成的紧凑拉伸剪切试样,在3种不同温度条件下进行了多种厚度（1.8～7.1mm）的I/II复合型断裂试验,系统分析了温度、厚度和复合载荷对断裂承载力和裂纹起裂角的影响.结果表明,TC11材料在室温下断裂承载力随厚度增加单调降低;在高温下则呈现与室温下不同的厚度效应：温度明显降低2mm试样的承载能力,而增强7mm试样的承载能力,4mm试样的承载能力则较少变化.I/II复合加载时起裂角在室温和高温条件下都存在一定的厚度效应和温度效应.这些复杂的厚度-温度耦合效应不能用已有断裂理论准确预测,必须发展新的三维复合型断裂理论和评定技术.     

三维裂纹端部应力场的三参数描述及等效厚度概念

传统的二维断裂理论忽略了各种断裂参数的三维厚度效应,将其应用到三维结构的损伤容限设计及评定中具有明显的局限性.另一方面,工程中存在的裂纹通常具有复杂的形状,并且无法直接考虑其对应的厚度.因此,工程中通常采用最保守的平面应变断裂韧性或固定的裂纹扩展速率曲线来描述裂纹的扩展和断裂,这无疑会带来巨大的误差.事实上,在含裂纹的三维结构中,裂尖局部场总是呈现出复杂的三维应力状态,而裂尖复杂的三维应力场对结构的强度起着至关重要的作用.对裂尖三维应力场进行研究、发展三维断裂理论将是解决实际工程问题的必然路径.本文介绍了近年来本研究组有关裂尖场描述体系从二维到三维,从单参数到多参数体系,从线弹性体系到弹塑性以及蠕变理论体系的发展,重点介绍了有关裂尖场三维三参数描述体系的研究进展和基于裂尖三维应力场和约束等效原则发展起来的裂纹的等效厚度概念及其工程应用情况.     

贝壳珍珠母多级结构的化学-力学稳定性

我们从化学稳定性与化学功学耦合的新角度讨论贝壳珍珠母的多级结构及其力学性能。通过化学脱蛋白、脱矿方法与先进的微纳表征技术相结合,发现皱纹盘鲍（haliotis discus hannai）贝壳珍珠母首先是由形状不规整的文石片与有机基质薄层逐层堆垛而成的微结构;其次基本组成—文石片又是由纳米颗粒和片内有机基质网构成的纳米复合结构,其中不同文石片内的颗粒的平均直径及有机基质网的分布都有很大的差异。虽然氢氧化钠溶液对片层间和片内有机基质网都有脱蛋白作用,但是单个文石片的化学稳定性比由其构成的堆垛微结构高得多。进而对氢氧化钠处理后的珍珠母微、纳两级结构分别进行宏观弯曲实验和纳米压痕实验后发现,两者的杨氏模量均出现下降,但是前者的降低幅度更为显著。因此,文石片纳米复合结构比由其构成的堆垛微结构具有更好的化学-力学稳定性。     

水伏科学技术的发展、挑战与未来

近年来国际上的一系列研究发现功能材料与雨滴、水波、自然水蒸发和大气湿度等相互作用能直接输出电能,类比于光伏(photovoltaic)效应,这类生电现象被称为水伏(hydrovoltaic)效应. 水伏效应现象最初发现于碳纳米材料与液体的相互作用体系,如2014年发现的石墨烯表面拖曳水滴发电的"拖曳势"、水面波动在石墨烯表面产生的"波动势",可以将雨滴、水波能转化为电能,并实现书画等无源传感功能.2017年,在廉价、可量产的碳黑薄膜中实现了水的自然蒸发产生持续的伏级电压,数平方厘米薄膜产生的电能已能够直接驱动液晶显示模块.在此基础上,2018年提出功能材料与水相互作用生电的水伏效应概念.据此,进一步将水伏学总结为:从水获电的新方法.     

含圆孔有限厚度板的三维弹性应力场分析

通过三维有限元计算来研究含圆孔有限厚度板的圆孔边缘应力场,找出了应力集中系数与板的厚度、圆孔半径之间的关系,同时还分析了圆孔边缘的三维应力约束程度和三维应力约束区域的大小.研究结果表明:离面应力约束系数在板的中面最大,而在表面为0,三维应力约束影响区域的长度约为板厚的一半;应力集中系数沿厚度的分布是不均匀的,其最大值及位置与厚度有关;有限厚度板中面的应力集中系数及其最大值均大于平面应力或平面应变的应力集中系数;对含圆孔任意厚度板的应力集中问题,按平面应力或平面应变来考虑是不安全的;Sternberg等人对含圆孔任意厚度板的应力分布及应力集中系数的近似三维求解,仅适用于厚度较小的板,当板超过一定厚度时同样也是不安全的.     

纤维加强聚合材料加筋混凝土梁正截面强度研究

根据平面假设,对纤维加强聚合材料（ＦＲＰ）加筋混凝土梁进行了弹塑性变形全过程分析,并与钢筋混凝土梁的弹塑性变形全过程进行了比较,分析了ＦＲＰ加筋混凝土梁在不同配筋率下,其极限弯矩和极限曲率的变化规律,结果表明：钢筋混凝土梁面强度的计算公式已不适用于ＦＲＰ加筋混凝土梁的面强度计算,给出了ＦＲＰ加筋混凝土梁正截面强度验算和设计的计算方法,其计算结果与实验结果符合较好。     

扫描速率对硬盘表面摩擦特性的影响

利用摩擦力显微镜分别在大气和真空环境下对硬盘的表面摩擦特性随扫描速率的变化关系进行了研究分析. 结果表明, 在大气和真空环境下, 硬盘表面摩擦力大小均随扫描速率增大而降低; 且在真空环境下, 由于毛细管力消失, 表面黏着力降低, 摩擦力比大气环境中约小30%.     

纳信息功能器件系统的关键科学问题和发展趋势

本文综合评述了国内外纳电子器件和新原理的纳功能器件的最新进展,指出硅基微电子技术正在向与新的、目前尚不明确核心技术的纳信息技术共同发展的方向转型,这是我国信息技术和产业后来居上的重要机遇。基于纳尺度各种显著的物理效应和多场耦合原理,开展低维纳功能器件的新原理、新性能、新架构的深入系统的研究,具有重大科学与现实意义。这类纳信息功能器件与硅芯片技术相融合的设计、工艺和技术将是需要突破的重大问题。随着纳米科学技术研究的重点向功能化器件系统方向发展,如何加强以产业发展为背景的研究,特别是加强微纳电子、芯片设计制造业与纳米科技基础研究的结合,加强微纳硅工艺与新的纳米技术的结合,加强高水平科学研究发现与关键技术创新的结合,是我国纳米科学技术发展的重要问题。     

水伏科学与技术的召唤

正水覆盖了约71%的地球表面,占人体重量约70%,在细胞里的含量可达80%.水与能量相生,维持着大至地球系统的能量循环,小至生物体的温度平衡,是天然的吸能器、储能器、换能器和传能器.水吸收了太阳辐射到达地表能量的近70%,在地球上动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦(10~(15)瓦),比全人类目前年平均能量消耗功率高3个数量级.     

中华虎凤蝶危在旦夕

《大自然》杂志编辑先生:今年四月初,我到南京市参加一个会议.会后,我抽空去了一趟位于城南的牛首山,想考察一下著名的中华虎凤蝶的原产地,看看这里的环境,希冀一睹这种珍贵蝴蝶的倩影.然而此行却令我十分失望和担忧!中华虎凤蝶(Luehdorfia chinensis huashanensis)是我国独有的一种珍贵蝶类,寄主植